基于PLC的組合工件自動分揀系統研究與設計

張順星，張玉潔

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

基于PLC的組合工件自動分揀系統研究與設計

張順星，張玉潔

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

摘要：傳統的物料分揀設備采用在料槽上方分別安裝傳感器，并當相應的傳感器動作時通過PLC驅動氣缸進行推料的控制模式，這種模式只能分揀單一顏色或材質的工件，存在較大的局限性。針對上述問題，提出了使用西門子CPU224XP型PLC作為控制器，結合傳感器、氣動技術、旋轉編碼器和變頻器構成組合工件自動分揀系統的設計方案，系統可以對較為復雜的組合工件進行分揀。經實踐運行測試，該系統工作效率高、運行可靠，有較強的實用性和較大的應用推廣價值。

關鍵詞：PLC；變頻器；旋轉編碼器；氣動技術；自動分揀

物料分揀設備通常采用可編程控制器(PLC)進行控制，能連續、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動強度大大降低，可顯著提高勞動生產率[1]。傳統的物料分揀設備采用在料槽上方安裝傳感器，當相應的物料運行到傳感器下方時，傳感器動作，從而通過PLC驅動氣缸進行推料的控制模式，該模式只能分揀單一顏色或材質的工件，存在較大的局限性[2]。本文提出使用西門子S7-200 PLC作為控制器，結合傳感器、氣動技術、旋轉編碼器和變頻器的組合工件自動分揀系統的設計方案，可以對較為復雜的組合工件進行分揀，如分揀白色芯料的金屬工件和白色芯料的塑料工件等， 重點論述自動分揀系統的組成、氣動控制回路和PLC控制系統等。

1系統構成及控制工藝要求

1.1系統構成

組合工件自動分揀系統的主要功能是對已加工和裝配完成的工件進行分揀，將相同顏色及材質的工件存放在對應的料槽中。其主要結構包括電動機驅動與傳送機構、工件檢測機構、氣動分揀機構和PLC控制模塊等[3]。組合工件自動分揀系統的結構組成如圖1所示。

1) 電動機驅動與傳送機構主要由變頻器、三相異步電動機、傳送帶、傳動輥及旋轉編碼器等組成，其作用是將待分揀的工件通過傳送帶輸送到指定位置，并進行位置檢測。

參考文獻

[1] 李業明.大功率機車彈性聯軸器及圓弧端齒聯結技術研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[2] 彭巍,于興芝,蘇靜.聯軸器兩軸同軸度修正[J].裝備制造技術，2007(12):112,128.

責任編輯馬彤

圖1　組合工件自動分揀系統結構示意圖

2) 工件檢測機構主要由光電傳感器、電感式傳感器和光纖傳感器組成，其中光電傳感器用于檢測是否有工件，電感式傳感器用于檢測工件外部材質，光纖傳感器用于檢測芯料顏色。3) 氣動分揀機構主要由推料氣缸1、推料氣缸2和推料氣缸3等3個氣缸，1B、2B和3B等3個磁性開關，以及控制氣缸的3個電磁閥和相關氣路附件等組成，其作用是利用氣缸將分揀出的工件推入相關的料槽。

4) PLC控制模塊主要由西門子CPU224XP主機、操作按鈕及指示燈等組成，其作用是整個系統的控制核心。

1.2系統的控制工藝要求

自動分揀系統的傳送帶上分2個區，即檢測區和分揀區。當待分揀組合工件放到傳送帶上時，傳送帶開始運行，同時旋轉編碼器開始記錄工件運行位置，只有在工件運行到光纖傳感器SC1與電感傳感器SC3位置時，2個傳感器信號才有效，進行芯料顏色與外部工件材質檢測。工件芯料為白色，外部為金屬材質時，工件運行到料槽1位置時傳送帶停止運行，推料氣缸1動作，將組合工件推入料槽1；同理，芯料為白色，外部為塑料材質時，組合工件將被推入料槽2；芯料為黑色時，組合工件將被推入料槽3。旋轉編碼器將工件的位置信息轉換為高速脈沖信號送入PLC數字量輸入端口，要使用高速計數器(HSC)功能進行位置檢測。

為了提高系統的分揀效率，可使用西門子MM440變頻器驅動傳送帶電動機，在檢測區工件以10 Hz低速運行，完成識別后，再以40 Hz高速在分揀區運行并進行分揀。

2系統硬件設計

2.1氣動控制回路設計

自動分揀系統的分揀機構由3個直線氣缸作為推料動作的執行元件，分別被3個單作用二位五通電磁換向閥控制，當電磁閥得電時，氣缸伸出。氣缸伸出或縮回的速度，由單向節流閥控制，為排氣節流形式。磁性開關用于檢測氣缸活塞位置，當檢測到氣缸到位后給PLC發出1個到位信號[4-5]。組合工件自動分揀系統氣動控制回路如圖2所示。

圖2　組合工件自動分揀系統氣動控制回路原理圖

2.2PLC控制系統硬件設計

系統選用CPU224XP型PLC作為控制器，該主機單元有14點數字輸入及10點數字輸出，同時還包括2路模擬量輸入和1路模擬量輸出。模擬量輸出接線時使用端子V和M分別接在MM440變頻器的模擬量輸入AIN1+和AIN1-端，輸出0～10 V電壓信號，對應變頻器輸出頻率0～50 Hz，實現變頻器高低速運行。組合工件自動分揀系統I/O分配見表1。

表1　組合工件自動分揀系統PLC的I/O分配表

在使用變頻器時，命令源選擇為由端子排輸入，頻率給定方式設定為模擬量輸入，斜坡下降時間設置為0.1 s，所以主要參數設置為：P0700=2，P1000=2，P1121=0.1。

3系統軟件設計

3.1流程圖設計

根據組合工件自動分揀系統的控制工藝要求，設計主程序，其流程圖如圖3所示。

圖3　組合工件自動分揀系統流程圖

3.2PLC高速計數器檢測工件位置

系統采用E6B2-CWZ6C型歐姆龍旋轉編碼器，分辨率為1 000 p/r，供電電壓規格為直流24 V，與電動機同軸相連，產生A/B相正交的兩路高速脈沖信號，接入西門子CPU224XP的高速計數器輸入端[6]。CPU224XP型PLC有HSC0～HSC5共6路高速計數器輸入端口，支持12種工作模式，最高可支持200 kHz的高速脈沖信號輸入。使用“指令向導”方式，可大大簡化高速計速器編程過程。在“工具”菜單中選擇“指令向導”，配置為：指令HSC；配置HSC0；模式9，生成如圖4所示子程序。

圖4　高速計數器子程序

使用雙整數型比較指令，比較高速計數器HSC0的當前值，即可確定傳送帶上工件位置。

4結語

本系統應用了PLC技術、氣動技術和變頻器技術，實現了可進行組合工件高效自動分揀的控制系統，解決了較為復雜的成型產品的自動化分揀問題。經實踐運行測試，該系統工作效率高、運行可靠，有著很強的實用性，在機械加工、電子裝配及物品流通等自動化生產線中具有較大的應用價值。

[1] 付偉.PLC在材料自動分揀系統中的應用[J].制造業自動化,2012,34(3):136-138.

[2] 李建國.基于PLC的氣動分揀裝置控制系統設計[J].液壓與氣動,2011(6):83-85.

[3] 呂景泉.自動化生產線安裝與調試[M].2版.北京:中國鐵道出版社,2012.

[4] 李庭貴.氣動機械手搬運物料精確定位控制系統設計[J].液壓與氣動,2012(1):54-56.

[5] 王文紅，秦艷，郭琳.四自由度機械手PLC控制[J].新技術新工藝,2013(5):95-98.

[6] 張順星,梁小宜.基于旋轉編碼器及MCGS的電機測速系統設計與實現[J].自動化與儀器儀表,2014(11):161-163.

責任編輯彭光宇

The Research and Design of Automatic Sorting System for Combination Workpiece based on PLC

ZHANG Shunxing，ZHANG Yujie

(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)

Abstract：Traditional material sorting equipment takes the mode of using sensor installing above the trough to drive the cylinder with PLC, which could only sort a single color or the material of existed large limitations. To solve the above problem, provide the design of a combination of workpiece automatic sorting system，which can sort more complex ones by using Siemens CPU224XP type PLC as the controller and sensor. The system also includes pneumatic technology, rotary encoder and frequency converter. It has been proved by practice that the system has high efficiency, reliable operation, strong practicability and great application value.

Key words:PLC，inverter, rotary encoder，pneumatic technology，automatic sorting system

收稿日期：2015-02-10 2015-01-16

作者簡介：鄭練(1981-)，女，工程師，碩士，主要從事機械設計制造及自動化等方面的研究。 張順星(1980-)，男，講師，碩士，主要從事電氣自動化控制及生產線等方面的研究。

中圖分類號：TP 23

文獻標志碼:A